桩身自平衡静载试验的测试原理讲解学习.docx

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桩身自平衡静载试验的测试原理讲解学习

桩身自平衡静载试验的测试原理

第一章桩身自平衡静载试验的测试机理

1.1桩身自平衡静载试验的测试原理

自从1969年由日本的中山（Nakayama）和藤关（Fujiseki）提出桩承载力自平衡测试到现在，经历20世纪80年代中期类似技术为Cernac和Osterberg等人所发展，其中1984年osterberg研制成功的桩底圆形试验方法（即自平衡测试法）将此项技术用于工程实践，他通过预埋在桩底的测压盒进行钻孔桩静载试验的方法，先是在桥梁钢桩中得到了成功应用，后来逐渐推广至各种桩型以来，据美国联邦公路管理局调查统计，1994年全美钻孔灌注桩荷载试验中该方法的使用超过了65%，后来在世界各地得到了推广，该法对于划分桩侧摩阻力与桩端阻力以及确定抗拔桩的承载力有重要意义，现已取代了传统载荷试验。

欧洲及日本、加拿大、新加坡等国也广泛使用该法。

自1996年起，我国江苏、河南、浙江、云南、安徽等省开始使用该法，如江苏的润扬大桥、新三汉河大桥及张公桥，云南的元江大桥、磨江大桥、思茅大桥等桥梁桩基试验均采用了该技术。

该方法较好地解决了传统加载技术存在的诸如费时、费用高、对试验场地要求高、大吨位常规静载试验一般很难进行、不借助桩身应力测试，从试验结果很难区分桩侧摩阻力与桩端阻力的准确性等问题。

1.1.1自平衡法

自平衡测桩法的主要装置是一种经特别设计可用于加载的荷载箱。

它主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组成。

顶、底盖的外径略小于桩的外径，在顶、底盖上布置位移棒。

将荷载箱与钢筋笼焊接成一体放入桩体后，即可浇捣混凝土成桩。

试验时，在地面上通过油泵给荷载箱加压，随着压力增加，荷载箱将同时向上、向下对桩施加作用力，图2.1为试验原理示意图。

图2.1试验原理示意图

Fig2.1Testingprinciplediagrammaticsketch

当在地面上通过油泵给荷载箱加压时，随着荷载箱压力的不断增加，荷载箱将同时向上、向下发生变位，荷载箱对桩的作用力也不断增加，进而促使桩侧阻力及桩端阻力的不断发挥，图2.2为试验装置示意图，当达到一定程度时，可从相关曲线判断出桩的承载力情况。

由于加载装置简单，多根桩可同时进行测试。

荷载箱中的压力可用压力表测量，荷载箱的向上、向下位移可用位移传感器测得，根据测试数据绘出相应的“向上的力与位移图”及“向下的力与位移图”，根据两条Q-S曲线及相应的s-lgt、s-lgQ曲线，可分别求得荷载箱上段桩及下段桩的极限承载力，将上段桩极限承载力经一定处理后与下段桩极限承载力相加即为单桩的极限承载力。

图2.2试验装置示意图

Fig2.2Testingequipmentdiagrammaticsketch

由于自平衡静载试验方法的加载不是在桩顶，而是将加载点放在桩体的某个位置内。

是接近于竖向抗压（抗拔）桩的实际工作条件的一种试验方法。

随着对荷载箱内腔加压，使其箱盖顶着桩体向上移动，同时使箱底向下移动，从而调动桩周土阻力和桩底土阻力。

试验时，根据测试数据绘出相应的“向上的力与位移图”及“向下的力与位移图”及两条Q-S曲线及相应的s-lgt、s-lgQ曲线，可求得的荷载箱上段桩及下段桩的极限承载力。

因此，可以很好地直接从试验结果区分桩侧摩阻力与桩端阻力；同时它使桩侧摩阻力与桩端阻力两者互为反力，所以，该方法所施加的荷载只需传统加载技术的一半左右。

随着对荷载箱内腔加压的增大，桩侧摩阻力与桩端阻力随之增大，直至破坏。

于是，根据所测得的数据就可绘出各种试验曲线。

如:

侧阻—位移曲线、端阻—位移曲线、Q-S曲线及相应的s-lgt、s-lgQ曲线等等。

自平衡法测出的上段桩的摩阻力方向是向下的，与常规摩阻力方向相反。

我们知道，传统的静压加载时，侧阻力将使土层压密，而该法加载时，上段桩侧阻力将使土层减压松散，故该法测出的摩阻力小于常规摩阻力，对于这上点，国内外大量的对比试验已证明了此点。

因此在用试验直接得到的侧阻—位移曲线、端阻—位移曲线转化成承载力——位移曲线时要考虑该因素的影响。

荷载箱的位置的确定是决定测试目的能否实现以及测试精度的关键因素，荷载箱的位置必须根据地质条件、桩形、测试要求等因素来确定。

即找准桩的“平衡点”。

桩在桩顶受压时桩周土产生身上的摩阻力，它与桩在底部受托时桩周土产生向下的摩阻力，两者是有区别的。

对此，Osterberg曾作了对比试验确定。

结果表明，在粘性土中桩侧向上的摩阻力基本上与向下的摩阻力相等，两者相差不大；在砂土中向上的摩阻力略大于向下的摩阻力。

故osterberg试桩中将向下的摩阻力视为向上的摩阻力是偏于安全的，对于结构安全是有利的。

桩的自重在osterberg试验中其方向与桩侧阻力相一致，它使桩侧摩阻力的值增大，故要判定桩侧摩阻力时应予于扣除。

目前国外对该法测试值如何得出抗压桩承载力的方法也不相同。

有些国家将上下两段实测值相叠加而得抗压极限承载力，这样偏于安全、保守。

有些国家将上段桩摩阻力乘以大于1的系数再与下段桩叠加而得抗压极限承载力。

我国则将向上、向下摩阻力根据土性划分。

对于粘土层，向下摩阻力为（0.6—0.8）倍向上摩阻力；对于砂土层，向下摩阻力为（0.5—0.7）倍向上摩阻力。

东南大学土木工程学院龚维明教授也在同一场地做了60多根静载与自平衡法的对比试验,其中有几根是在同一根桩上进行两种试验对比的，提出了对于粘土、粉土，取0.8,对于砂土取0.7的主张。

1.1.2轴向应变测试

基桩自平衡试验开始后，荷载箱产生的荷载沿着桩身轴向往上、往下传递。

假设基桩受荷后，桩身结构完好（无破损，混凝土无离析、断裂现象），则在各级荷载作用下混凝土产生的应变量等于钢筋产生的应变量，通过量测预先埋置在桩体内的应变计，可以实测到各应变计在每级荷载作用下所得的应变，由此便可求得在各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力值及轴力、摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。

1.1.3实验仪器及设备

基桩自平衡试验采用的仪器及设备有：

荷载箱、电子位移器、数据采集仪、压力表、百分表、加压设备等。

轴向应力测试采用的仪器设备有：

应变计和应变采集仪。

1.1.4测试系统

加载采用荷载箱，通过高压油泵输油加载。

试桩的位移量测采用电子位移计。

经应变仪与电脑相连，由电脑控制量测并在电脑屏上实时显示（Q—S）曲线和（S-lgT）曲线和（S-lgQ）曲线。

1.2桩身自平衡静载试验的计算理论

1.2.1轴向力测试及相关指标的计算方法

1、单桩竖向抗压极限承载力的计算

据实测荷载箱上、下位移计算承载力公式:

Quk=（Qu+-Gp）/λ+Qu-

式中:

Quk为桩抗压极限承载力

Qu+为上段桩极限承载力实测值，按《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）附录B“试桩试验办法”确定；

Qu-为下段桩极限承载力实测值，按《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）附录B“试桩试验办法”确定；

Gp为荷载箱上部桩有效自重；

λ为系数,对于粘土、粉土,λ=0.8；对于砂土,λ=0.7；对于岩石,λ=1.0。

该判断方法适用于上、下段桩的极限承载力均测出的情况，且该法得出的载力值与位移无对应关系。

2、轴力计算

应变量可由桩身预埋的应变计读数求得，其计算公式为:

εS=Kε读+B

式中：

εS—应变计在某级荷载作用下的应变量；

ε读—应变计在某级荷载作用下读数；

K—应变计系数；

B—应变计计算修正值；

在同级荷载作用下，试桩内混凝土所产生的应变量等于钢筋所产生的应变量，相应桩截面微单元内的应变量即为钢筋的应变量，其计算公式如下：

εc=εS

σc=εcEc

σs=εSEs

Pz=σsAs+νσcAc

式中：

εc—某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应变量；

σc—某级荷载作用下桩身截面混凝土产生的应力值（kN/m2）；

σs—某级荷载作用下钢筋产生的应力值（kN/m2）；

ν—混凝土的塑性系数；

Ec—桩身混凝土弹性模量（kN/m2）；

Es—钢筋弹性模量（kN/m2）；

As—桩身截面纵向钢筋总面积（m2）；

Ac—桩身截面混凝土的净面积（m2）；

Pz—某级荷载作用下桩身某截面的轴向力（kN）；

在建立试桩标定截面处的Pz—Psi相关方程后，各量测截面的桩身轴向力Pz值便可由相应的相关方程求得。

3、摩阻力计算

各土层桩侧摩阻力qs可根据下式求得：

qs=△Pz/△F

式中：

qs—桩侧各土层的摩阻力（kN/m2）；

△Pz—桩身量测截面之间的轴向力Pz之差值（kN）；

△F—桩身量测截面之间桩段的侧表面积（m2）。

4、截面位移计算

为了得到桩周土摩阻力qs随桩身沉降S的变化规律。

即求得桩侧实测的传递函数Qs—S关系，需确定各计算深度处桩身位移Si值，方法如下：

Si=Si+1－△i

式中：

Si—第i计算截面处的沉降量（Inm）；

Si+1—第i+1计算截面处的沉降量（Inm）；

△i—第i+1截面到第i截面间桩身的弹性压缩量（mm），依据虎克定律按下式计算：

△i=（Pz,i+Pz,i+1）Li/（2AnEc）

式中：

Pz,i—第i截面桩身轴向力（kN）：

Li—第i+1截面至第i截面处桩段长度（m）：

An—桩身换算截面面积：

An=πr2+nAs（Es/Ec－1）

式中：

r—试桩半径（mm）；

n—主钢筋根数；

As—单根主筋面积。

1.2.2等效转换方法

传统静载试验的荷载作用于桩顶，桩侧摩阻力由桩顶向下逐渐发展，桩侧摩阻力方向向上，而在自平衡法中，上段桩的摩阻力由荷载箱处向上发展且方向向下，其受力机理与传统方法不同。

由于荷载箱将试桩分为上、下两段桩，因而荷载传递也分为上、下段桩来分析。

对于下段桩，似乎与传统静载试验的受力是一致的，但由于向上的托力通过上段桩身对周围土层产生向上的剪切应力，降低了下段桩周围土层的有效自重应力，其应力场与堆载法相应部位桩周土层的应力场是不同的。

对于上段桩，由于向上的托力，上段桩承受的负摩阻力，但上托力作用点位于是桩下端，因而与抗拔桩的负摩阻力的分布不同。

在桩承载力自平衡测试中，测定了荷载箱的荷载、垂直方向向上和向下的位移量，以及桩在不同深度的应变，通过桩的应变和断面刚度，由上述公式可计算出轴向力分布，进而求出不同深度的桩侧摩阻力，利用荷载传递解析方法，将桩侧摩阻力与变位量的关系、荷载箱荷载与向下变位量的关系，换算成桩顶荷载对应的荷载—沉降关系（图2.3、图2.4、图2.5）。

（a）自平衡测试曲线（b）等效转换曲线

图2.3自平衡测试结果转换示意图

Fig2.3Self-balancetestingresultconvertdrawing

在荷载传递解析中，作如下假定：

1、桩为弹性体；

2、可由单元上下两面的轴向力和平均断面刚度来求各单元应变；

3、自平衡测试法中，桩尖的承载力—沉降量关系及不同深度的桩侧摩阻力—变位量关系与标准试验法是相同的。

图2.4转换单元示意图

Fig2.4Convertunitschematicdiagram

自平衡测试法中，从装荷载箱的深度起，将以上部分分割成n个点，任意一点i的桩轴向力Q（i）和变位量S（i）可用下式表示：

式中：

点（荷载箱深度）的桩的轴向力（荷载箱荷载），

；

点桩向下的变位量，

；

点（i~n之间的点）的桩侧摩阻力（假定向上为正值），

；

点处桩周长，

；

点处桩截面面积，

；

点处桩弹性模量，

；

分割单元

的长度，

；

另外，单元i的中点变位量Sm（i）可用下式表示：

代入式中，可得：

当

时，则

用以上公式，由自平衡测试出的桩侧摩阻力τ（i）与变位量yn（i）的关系曲线，将f（i）作为yn（i）=sn（i）的形式，求出τ（i），进一步求出f（i）=τ（i），还可由荷载箱荷载Qj与沉降量Sj的关系曲线求出Qj。

所以，对于S（i）和Sn（i）的2n个未知数，可建立2n个联立方程式。

图2.5自平衡静载试验法的轴向力、桩侧摩阻力与变位量的关系

Fig2.5Theinterrelationofaxialforce,frictionanddeflectionofself-balancetentativepilingtechnique

图2.6表示由自平衡测试结果换算成等效桩顶荷载的具体荷载传递解析步骤。

图2.6等效桩顶荷载—位移曲线的解析流程

Fig2.6Theanalysisflowchartofpilebolckequivalentload-displacement

第二章桩身自平衡静载试验的操作方法

由于桩身自平衡静载试验进入我国是在20世纪90年代的中期，并且进入每个省份的时间不一，所以难免在操作上会比较佰生，为了保证试验工作的顺利而有效的进行，通常按如下程序进行：

2.1自平衡静载试验操作前准备

1、根据需测试桩的相关数据，配好荷载箱的型号及数量；

2、测试前校验压力表、百分表等仪器；

3、准备好试验所需的基准梁、芯棒、输压竖管、输压横管等物品；

4、做好检测方案、桩试验时间的确定及加载方案等；

5、计算出荷载箱底部需浇灌砼的高度，找好平衡点的位置，即确定好荷载箱的预埋方法及位置；

6、桩钢筋笼和荷载箱焊接，埋好输压管、芯棒等；

7、位移棒与钢筋笼绑扎成整体，确保保护管不渗泥浆；

8、埋荷载箱前检查桩径、桩长、油管及钢管长度、钢管距离；

9、下钢筋笼；

10、浇灌桩身砼至设计桩顶标高；

11、保护油管及钢管封头，以防杂物漏入；

12、清理好桩周的场地；

13、安排好配合的人员；

14、试验前对测试仪器进行调试；

15、所有试验设备安装完毕之后，进行一次系统检测，对桩施加一较小的荷载进行预压，消除人为安装带来影响。

2.2荷载箱的预埋方法及位置确定

前面我们提到，工程桩的种类和地质条件是多种多样的，桩的长短、桩径的大小等等也不尽相同，这就决定了桩承载力自平衡测试中荷载箱的位置有一个合理的位置，也就是“平衡点”的位置确定，它是一个困难而复杂的问题。

在试验之前,根据已有资料和试桩经验来确定的所谓“平衡点”,从而导致测试结果存在一定的偏差是完全可能的，偏差的存在就会造成上、下两段桩很少同时达到我们预先拟定的极限条件,即可能是其中一段达到极限承载力,另一段可能还没有达到，从而导致上、下两段桩的极限承载力不相等，这就使得测试结果并没有真实反映桩的实际工作能力，由此判定的极限承载力必然小于真实的极限承载力,使得结果偏于保守。

荷载箱摆放在什么位置，也是需要解决的问题。

根据相关的参考文献[8][9]，以下是荷载箱的几种摆放位置，详见图3.1：

图3.1荷载箱放置部位

Fig.3.1Positionofloadcells

图（a）是一般常用位置，即当桩身成孔后先在孔底稍作找平，然后在孔底放置荷载箱，此法适用于桩侧阻力与桩端阻力大致相等的情况，或端阻力大于侧阻力而试桩目的在于侧阻极限的情况。

如镇江电厂高炉基础采用钻孔灌注桩，桩预估端阻力大于侧阻力，荷载箱摆放在桩端进行测试。

图（b）是将荷载箱放置于桩身中的某一位置，此时如位置适当，则当荷载箱以下的桩侧阻力与桩端阻力之和达到极限值时，荷载箱以上的桩侧阻力同时达到极限值。

如云南阿墨江大桥，荷载箱摆设在桩端上部25m处，这样上、下段桩的承载力大致相等，确保测试顺利加载。

图（c）为钻孔桩抗拔试验时的放置位置。

由于抗拔桩需测出整个桩身的侧阻力，故荷载箱必须设在桩端，而桩端处无法提供需要的反力，故将该桩钻深，使加长部分桩侧阻力及桩端阻力能够提供所需的反力。

如上海吴淞口输电塔大跨工程，桩长44m，荷载箱下部再钻深7m提供反力。

图（d）为挖孔扩底桩抗拔试验时荷载箱的的放置位置。

如江苏省电网调度中心基础工程，抗拔桩为挖孔扩底桩，荷载箱摆在扩大头底部进行抗拔试验。

图（e）为扩大头桩或当预估桩端阻力小于桩侧阻力而要求测定桩侧阻力极限值时的情况，此时是将桩底扩大，将荷载箱置于扩大头上。

如南京北京西路军区安居房工程。

该场地地表5m下面软、硬岩相交替，挖孔桩侧阻力相当大，故荷载箱置于扩大头上进行测试。

南京江浦农行综合楼采用夯扩头上进行测试。

图（f）为测定嵌岩桩嵌岩段的侧阻力与桩端阻力之和。

此法所测结果不致于与覆盖土层侧阻力相混。

如仍需测定覆盖土层的极限侧阻力，则可在嵌岩段侧阻力与端阻力测试完毕后浇灌桩身上段混凝土，然后再进行测试。

如南京世纪塔挖孔桩工程，设计要求测出嵌岩段侧阻力，荷载箱埋在桩端，混凝土浇灌至岩层顶部，设计部门根据测试结果进行扩大头设计。

图（g）为有效桩顶标高位于地面以下有一定距离时（如有地下室的高层建筑），而将输压管及位移棒引至地面方便地进行测试。

如南京电信局多媒体大厦，采用冲击钻孔灌注桩，三层地下室底板距地面14m，预估该段桩承载力达8MN，而整桩预估承载力高达40MN。

南京地铁新街口站，底板距地面23m，有效桩长27m。

浇捣桩身混凝土至底板下部，两工程试桩分别形成14m、23m空头桩，测试结果消除了多余上部桩身侧阻力的影响。

图（h）为若需测定两个或以上土层的侧阻极限值，可先将混凝土浇灌至下层土的顶面进行测试而获得下层土的数据，然后再浇灌至上一土层，进行测试，依次类推，从而获得整个桩身全长的侧阻极限值的情况。

如江苏省电网调度中心挖孔桩工程。

荷载箱摆在桩端，上部先浇2.5m混凝土，测出岩石极限侧阻力后，上部再浇混凝土，测桩端承载力及后浇桩段的承载力。

图（i）为采用两只荷载箱，一只放在桩下部，一只放在桩身上部，分别测出三段桩极限承载力的情况。

如润扬大桥世业洲高架桥钻孔桩，桩径1.5m，桩长75m，一只荷载箱距桩顶63m，另一只荷载箱摆在20m处。

由于地震液化的影响，上部20m的砂土层侧阻力必须扣除。

故首先用下面一只荷载箱测出整个承载力，间隔15天后再用上面一只荷载箱测出上部20m桩侧阻力，扣除该部分侧阻力即为该桩实际应用承载力。

荷载箱预埋位置为桩身向下及向上阻力相平衡的中间点，该中间点为荷载箱上段桩身向上抗拔力与荷载箱下段桩向下侧阻力、桩端阻力之和相等的位置，在测试前，要考虑上、下两端桩提供的力是否足够,需要采取什么措施等等，如果不能满足，应事先计划好要采取的辅助措施。

比如桩较短情况下，上端桩侧阻力可能不够时,要不要在桩顶提供一定重量的配重等等。

2.3桩试验时间的确定及加载方案

通常情况下，在桩身强度达到设计要求的前提下，成桩到开始试桩的时间：

对于砂土不少于10天，对于粘性土和粉土不少于15天，对于淤泥或淤泥质土不少于25天。

本工程，考虑到粘土层和砂层并存，为安全起见，选择在15后进行桩试验。

在所有试验设备安装完毕之后，进行一次系统检测，方法是对桩施加一较小的荷载进行预压，目的是消除整个试验系统和被测桩本身由于安装等人为因素造成的影响，排除荷载箱及管路中的空气，检测管路接头、阀门等是否漏油等，如一切正常，卸载至零，待位移计显示读数稳定后，并记录初始读数，即可开始正式加载。

加载方式可采用慢速维持荷载法，也可采用快速维持荷载法，本工程是用于检验性试验，采用快速维持荷载法，即每隔一小时加一级荷载。

1）加载分级：

每级荷载按预估极限荷载的1/10-1/15进行加载，第一级按两倍分级加载。

2）沉降观测：

每级加载后间隔5、10、15min各读一次，以后每隔15min测读一次，累计1h后每隔30min测读一次。

3）相对稳定标准：

在每级荷载的作用下，每小时的沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次。

4）加载终止条件：

当出现下列情况之一时，即可终止加载：

a、已达到极限加载值；

b、某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍；

c、某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下的2倍，且经24h尚末达到相对稳定；

d、累计上拔量超过100mm。

5）卸载与卸载位移观测：

每级卸载值为加载值的2倍。

每级卸载后隔15min测读一次残余沉降，读两次后，隔30min再读一次，即可卸下一级荷载，全部卸载后，隔3-4h再读一次。

2.4极限承载力的确定

根据位移随荷载的变化特性确定极限承载力，陡变形Q-S曲线取曲线发生明显陡变的起始点；对于缓变形Q-S曲线，上段桩极限侧阻力取对应于向上位移S上=40-60mm的荷载；下段桩极限值对应于向下位移S下=40-60mm的荷载，或大直径桩的S下=0.03-0.06D的对应荷载。

根据位移随时间的变化特征确定极限承载力：

下段桩（或持力层）取s-lgt曲线线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载，上段桩取s-lgt曲线尾部出现明显向上弯曲的前一级荷载值。

根据上述准则，可求得桩上、下段极限承载力实测值Qu上、Qu下。

测试时，荷载箱上部桩身自重方向与桩侧阻力方向一致，故在判定桩侧阻力时应当扣除。

该法测出的上段桩的摩阻力方向是向下的，与常规摩阻力方向相反。

传统静载试验加载时，侧阻力将使土层压密，而该法加载时，上段桩侧阻力将使土层减压松散，故该法测出的摩阻力小于常规摩阻力，根据国内外大量的对比试验也证明了该点。

目前对该法测试值如何得出抗压桩承载力的方法不尽相同，我国是将向上、向下摩阻力根据土性划分，对于粘土层，向下摩阻力为0.6-0.8倍向上摩阻力；对于砂土层，向下摩阻力为0.5-0.7倍向上摩阻力,将上段桩极限承载力经一定处理后与下段桩极限承载力相加即为桩极限承载力。